并聯3-spu六維測力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種并聯3-SPU六維測力傳感器，包括承載塊、測力分支及基礎平臺，其特征是：承載塊通過空間兩兩相互垂直的3條測力分支和基礎平臺相連，測力分支由定位塊、球鉸、拉壓傳感器和柔性萬向鉸構成，并形成一個SPU串聯分支；定位塊與基礎平臺相連，拉壓傳感器一端通過球鉸與定位塊相連，另一端與柔性萬向鉸相連。其優點是：本發明基于3-SPU并聯機構原理，實現了六維力在三個分支上的分解，特別是利用三個分支空間對稱分布的結構，獲得了一種結構簡單、縱向承載能力強的并聯六維測力平臺。三個柔性萬向鉸與承載塊一體加工，本發明具有加工方便、結構簡單、易于分析建模、性能穩定和適應性廣泛等特點。
【專利說明】并聯3-SPU六維測力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器領域，涉及一種有關空間大噸位六維力的測量裝置，特別是一種并聯3-SPU六維測力傳感器。
【背景技術】
[0002]六維測力平臺能夠測量空間三維力和力矩的大小，在測力信息要求豐富、測力精度要求高的場合如零力示教、輪廓跟蹤、雙手協調、精密柔性裝配、多指靈巧手和機器人力反饋等領域有著廣泛的應用前景。近年來，大測力范圍、大量程的六維測力平臺已成為目前急需高科技產品之一，特別是對于應用在航空航天領域的推力試驗、試飛實驗和風洞實驗所急需的大測力范圍、大噸位的六維測力平臺，當今世界許多國家對其研制工作非常重視，視為涉及國家安全、經濟發展和科技進步的關鍵技術之一，并將其列入國家科技發展戰略計劃之中。
[0003]在傳感器的設計中，維間耦合問題是影響傳感器精度的關鍵因素，為了實現維間解耦，人們已提出了一些解決方案，例如:中國專利ZL99102421.4公開的專利技術，其原理是用彈性鉸鏈進行解耦，具有剛度高、結構緊湊等優點，但不能實現完全解耦，并且很難應用到大噸位力或力矩的測量中。傳感器的測量范圍是評價其指標的一個關鍵因素，尤其是大噸位的多維力傳感器很難實現精確測量，一種可以測量大噸位力或力矩的六維力傳感器已被中國專利CNlOl 149299公開,該專利用三維力石英晶片組整體組裝形式來實現六維大力測量，但該傳感器沒有充分考慮維間耦合問題，從而導致其測量精度不高。
[0004]大測力范圍、大量程六維測力平臺的力敏感元件的結構設計是重載測力平臺研制過程的關鍵、核心問題，一直是研究的熱點之一，研究人員已提出了多種六維測力平臺的結構，但大多存在結構復雜、剛度低、應變靈敏度低和解耦難等不同方面的問題。目前普遍采用的基于傳統鉸鏈的Stewart平臺大型六維測力平臺樣機的測量精度較低，且不同方向的性能存在較大差異。其本質原因在于采用普通鉸鏈不可避免會帶來關節間摩擦與間隙、結構整體變形和分支扭彎等問題，若將此結構應用于開發重載大噸位六維測力平臺也面臨著結構剛度偏弱的問題。
[0005]若將現有的六維力傳感器應用于空間大噸位六維力測量，會存在如下不足:六維力傳感器大部分采用六分支連接，結構復雜；現有六維力傳感器測量范圍較小，安裝操作繁瑣；沒有充分考慮維間耦合等問題，測量精度有待提高。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了克服上述現有技術中并聯六維力傳感器的不足，提供一種可實現高剛度、大噸位六維力測量并且結構簡單的并聯3-SPU六維測力傳感器。
[0007]本發明解決其技術問題所采用的技術方案:
[0008]并聯3-SPU六維測力傳感器包括承載塊、測力分支及基礎平臺，其中:承載塊通過空間兩兩相互垂直的3條測力分支和基礎平臺相連，測力分支由定位塊、球鉸、拉壓傳感器和柔性萬向鉸構成，并形成一個SPU串聯分支；定位塊與基礎平臺相連，拉壓傳感器一端通過球鉸與定位塊相連，另一端與柔性萬向鉸相連。
[0009]所述空間兩兩相互垂直的3條測力分支是指三個測力分支的中心線兩兩互相垂直；
[0010]所述承載塊是由一個正方體塊沿共頂點的三個面上的三條首尾相接的對角線所構成的平面切削加工而成，3條測力分支的三個柔性萬向鉸分別固定于承載塊的另外三個兩兩相鄰的完整正方形面上；
[0011]所述柔性萬向鉸是在長方體塊的兩組相對側面上分別加工兩個夾角為120°的切槽后而成；
[0012]所述拉壓傳感器能輸出拉壓力信號與兩維偏載信號。
[0013]測力分支為SPU結構，該方案使得測力臺結構緊湊，能夠承受尤其是豎直方向的重載，因此可以提供空間大噸位六維力的信息。測力分支中均安裝有可以同時測出該分支的拉壓力及彎矩信號的拉壓傳感器，可將全部分支檢測到的拉壓力及彎矩信息合成運算，換算出測力分支所承受的力和力矩，從而得到承載快上所受的空間六維力信息。將彎矩信息融入測力臺標定運算，補償標定實驗數據，可有效降低維間耦合對六維力測量精度的影響，進一步提高該裝置的測量精度；本裝置可以多個共同使用，量程將會顯著提高。
[0014]本發明的有益效果:
[0015]I)通過合理布置分支位置，使得機構更加緊湊，因此更加靈巧，方便；
[0016]2)分支中采用了低摩擦系數的球副，使得本裝置有效減弱了以往傳感器結構中常采用的傳統球鉸引起的摩擦對測量精度的影響，此外，在降低摩擦的同時，可將每條分支上的彎矩信息參與測力臺標定運算，進一步提高了本裝置的測量精度；
[0017]3)本裝置具有結構簡單、性能可靠、易于加工裝配，并可根據具體情況，模塊化封裝后組合成新的結構形式，即具有良好的適應性及廣泛的通用性。
[0018]4)該結構具有剛度高、量程大等優點，為重載大噸位六維力傳感器結構設計提供了良好的方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明外觀結構示意簡圖；
[0020]圖2為本發明測力分支結構示意簡圖；
[0021]圖3為本發明中帶有三個柔性萬向鉸的承載快的示意簡圖；
[0022]圖4為四個并聯3-SPU六維測力傳感器組成的大量程傳感器。
[0023]在上述附圖中:1.基礎平臺、2.定位塊、3.球鉸、4.拉壓傳感器、5.鎖緊螺母、
6.柔性萬向鉸、7.承載塊、8.重載蓋板、9.重載底板。
【具體實施方式】
[0024]圖1為本發明外觀結構示意簡圖。承載塊(7)通過空間兩兩相互垂直的3條測力分支與基礎平臺(I)相連，測力分支由定位塊(2)、球鉸(3)、拉壓傳感器(4)和柔性萬向鉸
(6)構成并形成一個SPU串聯分支。定位塊(2)與基礎平臺(I)采用螺栓相連，拉壓傳感器
(4)一端通過球鉸(3)與定位塊(2)相連，另一端與柔性萬向鉸(6)采用螺紋聯接。[0025]圖2為本發明測力分支結構示意簡圖。
[0026]圖3為本發明中帶有三個柔性萬向鉸的承載塊的示意簡圖。承載塊(7)是由一個正方體塊沿共頂點的三個面上的三條首尾相接的對角線所構成的平面切削加工而成，三個柔性萬向鉸(6)分別固定于承載塊(7)的另外三個兩兩相鄰的完整正方形面上。柔性萬向鉸(6)是在長方體塊的兩組相對側面上分別加工兩個夾角為120°的切槽后而成。
[0027]圖4為其應用實例，應用四個并聯3-SPU六維測力傳感器組成的大量程大測力板六維測力平臺。其中四個并聯3-SPU六維測力傳感器均布在重載蓋板(8)與重載底板(9)之間，每個并聯3-SPU六維測力傳感器的基礎平臺(I)和承載塊(7)分別與重載底板(9)和重載蓋板(8)采用螺栓連接。當重載蓋板(8)受到重載多維力時，可由每個并聯3-SPU六維測力傳感器的測力分支中拉壓傳感器(4)的輸出信號綜合處理后解算得出。
[0028]當承載塊(7)受到空間多維力時，測力分支中的拉壓傳感器⑷可以同時測出該分支的拉壓力及彎矩信息，并將其合成運算后得出該測力分支所承受的力和力矩，經三條測力分支的拉壓傳感器⑷信號匯總解算后，得到承載塊(7)所受的空間六維力信息。將彎矩信息融入測力臺標定運算中，補償標定實驗數據，可有效降低維間耦合對六維力測量精度的影響，進一步提高該裝置的測量精度。對于尤其是豎直方向具有重載大噸位的空間六維力的測量，可組合使用多個本裝置，以提高六維測力平臺的測力量程及測力面積。
【權利要求】
1.一種并聯3-SPU六維測力傳感器，包括承載塊、測力分支及基礎平臺，其特征是:承載塊通過空間兩兩相互垂直的3條測力分支和基礎平臺相連，測力分支由定位塊、球鉸、拉壓傳感器和柔性萬向鉸構成，并形成一個SPU串聯分支；定位塊與基礎平臺相連，拉壓傳感器一端通過球鉸與定位塊相連，另一端與柔性萬向鉸相連。
2.根據權利要求1所述的并聯3-SPU六維測力傳感器，其特征是:所述空間兩兩相互垂直的3條測力分支是指三個測力分支的中心線兩兩互相垂直。
3.根據權利要求1所述的并聯3-SPU六維測力傳感器，其特征是:所述承載塊是由一個正方體塊沿共頂點的三個面上的三條首尾相接的對角線所構成的平面切削加工而成，3條測力分支的三個柔性萬向鉸分別固定于承載塊的另外三個兩兩相鄰的完整正方形面上。
4.根據權利要求1所述的并聯3-SPU六維測力傳感器，其特征是:所述柔性萬向鉸是在長方體塊的兩組相對側面上分別加工兩個夾角為120°的切槽后而成。
5.根據權利要求1所述的并聯3-SPU六維測力傳感器，其特征是:所述拉壓傳感器能輸出拉壓力信號與兩維偏載信號。
【文檔編號】G01L5/16GK104034474SQ201410291350
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】趙延治, 趙鐵石, 吳詢, 束龍 申請人:燕山大學